タンパク質機能発現の分子機構に関する理論的研究

2011 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 22370058
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 林 重彦 京都大学, 理学研究科, 准教授 (70402758)
• キーワード: タンパク質機能 / 酵素反応 / QM/MM-FF法 / 分子動力学法 / 構造変化経路探索 / 線形応答理論 / カルモジュリン / 分散-共分散行列

研究概要

本課題研究は、酵素反応解析のためのQM/MM自由エネルギー法、及び大域的タンパク質構造変化のシミューレーションを行うlinear response path following(LRFE)法を開発することにより、タンパク質機能発現の分子機構を解明することを目的とする。
本年度は以下の成果を得た。(i)ReweightingによるQM/MM-FE法の開発(QM/MM RWFE-SCF法)。通常のMD法により得られるMM構造のサンプルよりQM/MM自由エネルギー汎関数を構築し、その変分によりSCF計算を行うQM/MM RWFE-SCF法を開発した。MM構造サンプルの収束性を検討し適切な構造最適化プロトコルを確立した。その手法をアミラーゼのグリコシル結合加水分解反応に適用し、反応の進行に伴うタンパク質の大域的な構造変化を見出した。また、自由エネルギー摂動法により、反応の活性化自由エネルギーを求めることにより、上記のタンパク質の大域的変化が、酵素反応触媒活性に重要な役割を果たしていることを見出した。(ii)LRFE法の開発。カルモジュリンのN末端ドメインに対して、カルシウムイオン結合による大域的構造変化をテスト系にして開発を行った。外力の大きさ及びMDによる緩和時間の検討を行い、構造変化追跡のプロトコルの確立を行った。現在まで、400nsの時点でカルシウムイオン結合の形成まで成功しているトラジェクトリを得ており、更なる計算によりNMR構造の到達に成功すると期待される。また、コントロール計算として、通常のMDシミュレーションを行なっているが、1μ秒に置いても顕著な変化が見られないことを確認した。(iii)ロドプシンの中間状態の同定。MDシミュレーションを行い、ロドプシンの初期中間状態のモデリングを行い、またQM/MM計算により吸収及び振動スペクトルの計算を行った。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

交付申請書に記載した目的については、多少の前後はあるものの、概ね順調に達成している。QM/MM-FE法については、手法とプロトコルの確立に至り、今後計画しているロドプシンなどの他のタンパク質への適用への準備が整った。また、LRPF法に関しては、もう少しで構造変化の完全な迫跡に成功する段階まで来ている。ロドプシンタンパク質についても、光サイクルの初期中間体においての解析がほぼ完了している。

今後の研究の推進方策

QM/MM-FE法に関しては、今後、モータータンパク質やGタンパク質などに適用し、タンパク質構造変化と酵素活性の相関に関する解析を行なっていく。また、LRFE法に関しては、ロドプシンや他の膜タンパク質に適用していく。

研究成果

• [雑誌論文] Crystal structure of the channelrhodopsin light-gated cation channel (2012)
  • 著者名/発表者名: Hideaki E. Kato, Feng Zhang, Ofer Yizhar, Charu Ramakrishnan, Tomohiro Nishizawa, Kunio Hirata, Jumpei Ito, Yusuke Aita, Tomoya Tsukazaki, Shigehiko Hayashi, Peter Hegemann, Andres D. Maturana, Ryuichiro Ishitani, Karl Deisseroth, and Osamu Nureki
  • 雑誌名: Nature 巻: 482 ページ: 369-374
  • 査読あり
• [雑誌論文] QM/MM reweighting free energy SCF for geometry optimization on extensive free energy surface of enzymatic reaction (2012)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Kosugi and Shigehiko Hayashi
  • 雑誌名: Journal of Chemical Theory and Computation 巻: 8 ページ: 322-334
  • 査読あり
• [雑誌論文] A theoretical study on excited state double proton transfer reaction of a 7-azaindole dimer : an ab initio potential energy surface and its empirical valence bond model (2011)
  • 著者名/発表者名: Kohei Ando, Shigehiko HayasKi, Shigeki Kato
  • 雑誌名: Physical Chemistry Chemical Physics 巻: 13 ページ: 11118-11127
  • DOI: DOI:10.1039/clcp20420c
  • 査読あり
• [学会発表] ハイブリッド分子シミュレーションで探る酵素活性の分子機構 (2011)
  • 著者名/発表者名: 林重彦
  • 学会等名: 大阪大学蛋白質研究所セミナー「蛋白質科学の未来を語る-実験・理論研究者の対話-」
  • 発表場所: 吹田(大阪)
  • 年月日: 2011-11-21
• [学会発表] Molecular mechanism of enzymatic reaction studied by the QM/MM reweighting free energy SCF method (2011)
  • 著者名/発表者名: Shigehiko Hayashi, Takahiro Kosugi
  • 学会等名: 日本生物物理学会・シンポジウム"New approaches for probing biomolecular fluctuations"
  • 発表場所: 姫路(兵庫)
  • 年月日: 2011-09-17
• [学会発表] Fukui International Symposium for Theoretical Chemistry (2011)
  • 著者名/発表者名: Shigehiko Hayashi
  • 学会等名: Fukui International Symposium for Theoretical Chemistry
  • 発表場所: 京都
  • 年月日: 2011-09-01
• [学会発表] Hybrid molecular simulations toward understanding enzymatic catalysis (2011)
  • 著者名/発表者名: Shigehiko Hayashi
  • 学会等名: Telluride Science Research Center Workshop on "Riss of the Machines : Intergration of expertment, simulation and theory for a mechanistic understanding of biomolecular machines"
  • 発表場所: Telluride (USA)
  • 年月日: 2011-08-09
• [学会発表] Molecular mechanisms of enzymatic catalysis in F1-ATPase and a-amylase (2011)
  • 著者名/発表者名: Shigehiko Hayashi
  • 学会等名: WATOC 2011
  • 発表場所: Santiago de Compostela (Spain)
  • 年月日: 2011-07-21
• [学会発表] Hybrid molecular simulations toward understanding enzymatic catalysis (2011)
  • 著者名/発表者名: Shigehiko Hayashi
  • 学会等名: 2011 Karen Japan Symposhim on Molecular Science "New Visions for Spectroscopy & Computation : Temporal and Spatial Advantures of Molecular Sciences"
  • 発表場所: 釜山(韓国)
  • 年月日: 2011-07-06